Using Energy Storage Systems to Provide Grid Support for Ferry Charging
Bachelor thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3004840Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Den norske staten har som mål å få en fossilfri kollektivtrafikk innen 2025, dette inkludererfergeflåten. For mange fergestrekk vil elektrifisering være den beste løsningen. For å kunne gjen-nomføre dette må distribusjonsnettet i området kunne levere høy nok effekt til å lade de kommendefergene. Mange kaier har i dag ikke nok tilgjengelig effekt til dette formålet. En mulig løsningpå dette problemet er å installere batteribaserte energilagringssystemer (BESS) som støtter oppdistribusjonsnettet under fergeladning. Denne oppgaven fokuserer på Beyonders LIC teknologi ogvil undersøke om den passer inn i fergeladningsemarkedet.
To case-studier er utført for å se hvordan en Litium-Ion Kondensator (LIC) sammenligner seg medden mest brukte batteriteknologien, Litium-Ion Batteri (LIB). Case-studie 2 sammenligner også ennettoppgradering med BESS-løsningene. LIC har høy effekttetthet, men begrenset energitetthet,mens LIB har høy energitetthet og begrenset effekttetthet. I applikasjoner som krever høy effekt,slik som fergelading, vil LIB i stor grad måtte overdimensjoneres for å levere ønsket effekt, mensLIC ikke vil ha dette problemet. En måte å utnytte styrkene til begge teknologiene på er åkombinere dem i et hybrid energilagringssystem (HESS).
Etter gjennomføring av casestudiene, gjøres en mer generell analyse av de tekniske, økonomiske ogmiljømessige aspektene. Resultatene fra den tekniske analysen viste at mange kaier krever høyereeffekt enn det som er tilgjengelig. Å inkludere et BESS kan imidlertid minimere den nødvendigenettoppgraderingen og redusere de totale kostnadene. Hvor lenge fergen lader vil påvirke omLIC eller LIB er den beste løsningen. Når ladetiden er under 6 minutter, vil LIC ha et mindreoverflateareal enn LIB. Selv om LIC er dyrere per energienhet, var prisen per effektenhet laverefor LIC enn LIB. Dersom fergen lades i 5 minutter, er prisen på Beyonders LIC beregnet til 151USD/kW, mens prisen på det valgte LIB er 496 USD/kW.
I den økonomiske analysen er en del av hovedfunnene at det ikke er noen sammenheng mellom prisenpå en nettoppgradering og manglende effekt. Hvert tilfelle vil være unikt på grunn av varierendeinfrastruktur ved fergekaiene. Å bruke høyere effekt har en ekstra kostnad knyttet til seg, og åinkludere et BESS er en god måte å redusere denne kostnaden på, samtidig som belastningenpå nettet reduseres. Miljøanalysen viser at LIC har lavere utslipp enn LIB. I Casestudie 1 harproduksjon av LIB et 6,3 ganger høyere CO2 utslipp enn produksjon av LIC. Ettersom LIC lagrermindre energi enn LIB i høyeffektapplikasjoner, vil LIC være det mest miljøvennlige alternativetnår man beregner utslipp fra kWh.
Avslutningsvis ser Beyonders LIC ut til å passe godt inn i markedet for fergeladning, ut ifraanalysene gjort i denne oppgaven. LIC vil særlig egne seg for bruk i fergeladning under disseomstendighetene: høyt effektbehov, kort ladetid og begrenset tilgjengelig effekt i nettet. LIBvil fortsatt være en tøff konkurrent i dette markedet, ettersom teknologien er mer etablert, ogmarkedet kan være skeptisk til nye teknologier. The Norwegian government aims to make all public transport fossil-free by 2025, including theNorwegian ferry fleet. For many ferry routes, electrification will be the best solution. In orderto realize this electrification, the distribution grid connected to the quays must be able to deliverenough power to charge the ferries, which is not always the case today. In many cases, it wouldbe possible to use a Battery Energy Storage System (BESS) to assist the grid when charging theferries. This thesis focuses on Beyonder’s Lithium-Ion Capacitor (LIC) technology and investigatesif it could be a good fit in the ferry charging market.
Two case studies have been conducted to see how LIC compares to the most commonly used batterytechnology, Lithium-Ion Battery (LIB). Case study 2 also compares a grid upgrade to the BESSsolutions. LIC has a high power density but limited energy density, while LIB has a high energydensity and limited power density. Combining both technologies into a Hybrid Energy StorageSystem (HESS) is a way to incorporate both technologies’ strengths.
After conducting the case studies, a more general analysis of the technical-, economic- and environmental aspects is done. The results from the technical analysis found that many quays requirehigher grid power than what is available. However, integrating a BESS can minimize the gridupgrade and reduce overall cost. How long the ferry charges will affect whether LIC or LIB is thebetter solution. LIC was found to have a smaller surface area than LIB when the charging time is6 minutes or less. Even though LIC is more expensive per energy unit, the results per power unitwere the opposite. If the ferry is charged for 5 minutes, the price of Beyonder’s LIC was calculatedto be 151 USD/kW, while the price of the chosen LIB was calculated to be 496 USD/kW.
In the economic analysis, part of the main findings is that there is no correlation between theprice of the upgrade and the power the grid capacity is upgraded to. Each case will be uniquedue to the different infrastructure at each location. Using higher power has an added cost, andincluding a BESS is a great way to reduce this cost and reduce the strain on the grid, no matterthe application. The environmental analysis shows that LIC has lower emissions than LIB. In casestudy 1, the LIB production emits 6.3 times more CO2 than the LIC production. LIC will store lessenergy than LIB in high-power applications. As a result, LIC is the most environmental-friendlyalternative when calculating emissions per kWh.
Finally, based on the analysis conducted in this thesis, Beyonder’s LIC seems to be a good fitin the market for ferry charging under the right circumstances, such as; high power requirement,short charging time, and limited available grid power. LIBs will still be a tough competitor in thismarket, as the technology is more established, and the market may be skeptical of new technologies.